基于微观力学失效理论的CFRP多向层合板低速冲击行为预测
复合材料学报
第33卷 第6期 6月 2016年Acta Materiae Com p ositae Sinica
Vol .33
No .6
June
2016
DOI :10.13801/j .
cnki.fhclxb.20160317.004收稿日期:2015-11-16;录用日期:2016-01-08;网络出版时间:2016-03-17 11:34
网络出版地址:https://www.docsj.com/doc/ec303176.html, /kcms /detail /11.1801.TB.20160317.1134.008.html
基金项目:国家自然科学基金委员会与中国民航局联合资助项目(U1433119)
通讯作者:蔡洪能,博士,教授,研究方向为碳纤维高分子复合材料微观力学行为及损伤分析三 E -mail :hntsai@mail.x j https://www.docsj.com/doc/ec303176.html,
引用格式:宇鹏飞,蔡洪能,焦菲,等.基于微观力学失效理论的CFRP 多向层合板低速冲击行为预测[J ].复合材料学报,2016,33(6)
:1153-1160.YU P F ,CAI H N ,JIAO F ,et al.Prediction of low -velocit y im p act behavior of multi -dircetional CFRP laminates
based on micro -mechanics failure theor y [J ].Acta Materiae Com p ositae Sinica ,2016,33(6):1153-1160(in Chinese ).
基于微观力学失效理论的CFRP 多向层合板
低速冲击行为预测
宇鹏飞,蔡洪能*,焦菲,韩雪成
(西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,西安710049)
摘 要: 基于微观力学失效(MMF )理论对碳纤维增强复合材料(CFRP )多向层合板在低速冲击载荷下失效机制及损伤过程进行分析和预测三建立基于MMF 理论的层合板结构冲击损伤行为分析方法三首先,使用MMF 理论对冲击过程中组分的失效类别进行判别;然后,根据组分失效的类别制定出相应的材料性能退化方案来实现对复合材料在低速冲击下的逐步失效分析;在ABAQUS 平台上开发了基于显示分析的用户材料子程序(VUMAT ),即基于MMF 理论的层合板冲击损伤分析程序;最后,利用MMF 理论冲击损伤行为分析方法,对UTS50/E51碳纤维增强复合材料多向层合板在小能量低速冲击情况下的失效机制和损伤形貌进行预测,并将预测结果与试验结果进行对比,分析了利用MMF 理论预测冲击损伤这一方法的准确性三结果表明理论预测的凹坑直径与试验测试的凹坑直径误差为4.8%,预测的失效机制和损伤形貌与实际观察的一致三关键词: 微观力学失效理论;组分强度表征;VUMAT ;逐步失效;冲击损伤
中图分类号: TB330.1 文献标志码: A 文章编号: 1000-3851(2016)06-1153-08
碳纤维增强复合材料(CFRP )
因其比强度和比刚度高二可设计性强二疲劳性能好二耐腐蚀等优异特
性被广泛应用于航空二航天及各种先进结构中[
1]
三使用经验和试验研究表明,对复合材料结构安全威胁最大的是冲击损伤,在低速冲击损伤的情况下,
冲击表面可能存在目视勉强可见的损伤,也可能存在无任何目视可见的损伤,但是试件的剩余强度已经大幅下降,在试件的剩余强度大幅下降情况下继续使用会存在很大的安全隐患三因此,复合材料冲击损伤特性研究对损伤的预测和后续检测及结构剩余强度预估至关重要三只有获得冲击后的具体失效机制二损伤面积等信息,才能对损伤后结构的性能做进一步评估三因此,碳纤维增强复合材料的低速
冲击损伤问题得到了学术与工程界的广泛关注[
2]
三复合材料冲击损伤大多为多损伤机制耦合失效
模式,损伤的萌生二累积和演变过程复杂,目前多数研究者采用连续损伤累积模型研究复合材料层合
板在冲击载荷下的破坏过程[
3-5]
三在连续损伤累积模型中,损伤的萌生是通过强度准则来预测,而损
伤扩展的过程则采用刚度折减的方法来模拟三关于判断损伤萌生的强度准则目前在工程领域应用比较广泛的是最大应力理论二最大应变理论二Tsai -Hill 失效理论二Tsai -Wu 失效理论以及Hashin 失效理论
等三这些理论大部分都是宏观失效准则,而且大多基于数学近似公式进行失效判断,预测结果与试验结果有很大偏差三而且它们都是把层合板结构假设为二维状态,忽略了厚度方向上的应力,这在分析三维曲面或较厚的工件受力时是远远不够的三而微观力学失效(MMF )
理论则很好地解决了这一问题三它是一种基于物理失效机制的复合材料层合板强度理论,可以从微观层面预测层合板的失效机制,预测结果比较精确三本文开发了基于MMF 理论的复合材料低速冲击响应分析方法,此方法考虑了复合材料层合板在冲击破坏过程中的逐
步失效行为三逐步失效分析首先通过MMF 理论对组分的失效机制做出判别,然后根据组分失效机制制定相应的性能退化方案,从而在模拟分析时实现对材料性能的动态修正;在ABAQUS 平台上进行